Dopamin oppfordrer belønning som søker ved å fremme cue-fremkalt excitasjon i kjernen accumbens (2014)

Introduksjon

Dopaminprojeksjonen fra det ventrale tegmentale området (VTA) til NAc er en essensiell komponent i den nevrale kretsen som fremmer belønningssøkende atferd ( Nicola, 2007 ). Hvis NAc-dopaminfunksjonen reduseres eksperimentelt, er det mindre sannsynlig at dyr anstrenger seg for å oppnå belønning ( Salamone og Correa, 2012 ) og reagerer ofte ikke på belønningsprediktive signaler ( Di Ciano et al., 2001 ; Yun et al., 2004 ; Nicola, 2007 , 2010 ; Saunders og Robinson, 2012 ). Disse underskuddene skyldes svekkelse av en spesifikk komponent av belønningssøking: latensen for å initiere tilnærmingsatferd økes, mens tilnærmingshastigheten, evnen til å finne målet og utføre den nødvendige operante atferden som kreves for å oppnå belønning, og evnen til å konsumere belønning ikke påvirkes ( Nicola, 2010 ). Dopamin må fremme tilnærming ved å påvirke aktiviteten til NAc-nevroner, men arten av denne påvirkningen er fortsatt uklar. Store andeler av NAc-nevroner eksiteres eller hemmes av belønningsprediktive signaler ( Nicola et al., 2004a ; Roitman et al., 2005 ; Ambroggi et al., 2008 , 2011 ; McGinty et al., 2013 ), og eksitasjonene begynner før starten av den cued tilnærmingsatferden og predikerer latensen for å starte bevegelse ( McGinty et al., 2013 ). Derfor har denne aktiviteten de egenskapene som kreves av et dopaminavhengig signal som fremmer cued tilnærming, men om den gjør det er ukjent.

Nevroner i to strukturer som sender glutamaterge afferenter til NAc, BLA og dorsal medial PFC ( Brog et al., 1993 ), eksiteres av belønningsprediktive signaler ( Schoenbaum et al., 1998 ; Ambroggi et al., 2008 ), og reversibel inaktivering av en av disse strukturene ( Ambroggi et al., 2008 ; Ishikawa et al., 2008 ) eller av VTA ( Yun et al., 2004 ) reduserer omfanget av signalfremkalte eksitasjoner i NAc. Disse observasjonene antyder at NAc-signalfremkalte eksitasjoner er drevet av glutamaterge input, men uten NAc-dopamin er selv disse sterke eksitatoriske inputene utilstrekkelige til å drive økning i signalfremkalt avfyring. Denne konklusjonen er imidlertid skjør. Mange NAc-nevroner hemmes av signaler ( Nicola et al., 2004a ; Ambroggi et al., 2011 ), og det er ukjent om eksitasjoner eller inhiberinger er viktigere for å aktivere tilnærmingsatferd. I tillegg kan VTA-inaktivering redusere diskriminerende stimulus (DS)-fremkalte eksitasjoner via flere dopaminuavhengige mekanismer: redusert signalerkoding i BLA og PFC, som mottar projeksjoner fra VTA ( Swanson, 1982 ); redusert avfyring av GABAerge VTA-nevroner som projiserer til NAc ( Van Bockstaele og Pickel, 1995 ); eller redusert frigjøring av glutamat fra dopaminerge nevroner ( Stuber et al., 2010 ). Til slutt, fordi VTA-inaktivering reduserer ikke bare NAc DS-fremkalt avfyring, men også DS-fremkalt tilnærmingsatferd ( Yun et al., 2004 ), kan DS-eksitasjon være sekundær til snarere enn en nødvendig betingelse for målrettet bevegelse.

For å direkte teste rollen til NAc-dopamin i signalfremkalt avfyring, utviklet vi en ny probe for bruk i gnagere med dårlig atferd: en sirkulær elektrodematrise som omgir en sentral injeksjonskanyle, som muliggjør samtidig registrering av enhetsavfyringsaktivitet og infusjon av dopaminreseptorantagonister i det ekstracellulære rommet som omgir de registrerte nevronene ( du Hoffmann et al., 2011 ). Denne ordningen lar oss etablere koblinger mellom dopaminreseptoraktivering, NAc-nevronal avfyring og belønningssøkende atferd: hvis blokade av NAc-dopaminreseptorer hemmer både signalfremkalte signaler og initiering av tilnærming, ville dette gi sterke bevis for at den nevrale responsen avhenger av endogent dopamin, og at dette signalet er nødvendig for tilnærmingsatferd.

Materialer og metoder

Dyr.

Femten hannrotter av typen Long-Evan (275–300 g ved ankomst) ble hentet fra Charles River og holdt enkeltvis. Én uke etter ankomsten ble rottene håndtert i flere minutter daglig i 3 dager for å venne seg til forsøkslederen. Etter tilvenning ble rottene satt på en begrenset diett med 13 g rottefôr per dag. Ad libitum- fôr ble gitt i 7 dager etter operasjonen, hvoretter dyrene ble satt tilbake på den begrensede dietten. Dyreprosedyrene var i samsvar med National Institutes of Health Guide for the Care and Use of Laboratory Animals og ble godkjent av Institutional Animal Care and Use Committee ved Albert Einstein College of Medicine.

Operant kamre.

Alle atferdseksperimenter og opplæringsopplæring fant sted i skreddersydde pleksiglasskamre (40 cm-kvadrat, 60 cm høy). Disse var plassert inne i metallskap som fungerte som Faraday bur; skap ble foret med akustisk skum og hvit støy ble spilt kontinuerlig gjennom en dedikert høyttaler for å minimere hørbarheten av ekstern støy inne i kammeret. Operantkamre var utstyrt med en belønningsbeholder på en vegg med uttrekkbare spak på hver side av den. Et fotobjekt over forsiden av beholderen ble brukt til å måle inntaks- og utgangstider for beholderen. Den midlertidige oppløsningen av atferdsstyringssystemet (Med Associates) var 1 ms.

DS-oppgave.

Dyrene ble trent på DS-oppgaven ved å følge prosedyrer som ligner på de som ble brukt tidligere ( Nicola et al., 2004a , b ; Ambroggi et al., 2008 , 2011 ; Nicola, 2010 ; McGinty et al., 2013 ). To signaler ble presentert én om gangen, enten en belønningsprediktiv DS eller en nøytral stimulus (NS). De auditive signalene besto av en sirenetone (som syklet i frekvens fra 4 til 8 kHz over 400 ms) og en intermitterende tone (6 kHz tone på i 40 ms, av i 50 ms); tildeling av en bestemt tone til DS eller NS ble randomisert på tvers av rottene. Intervallintervaller (ITI-er) ble valgt tilfeldig fra en avkortet eksponensiell fordeling med et gjennomsnitt på 30 sekunder og maksimalt 150 sekunder. NS ble alltid presentert i 10 sekunder; spaktrykk under NS ble registrert, men hadde ingen programmert konsekvens. «Aktive» og «inaktive» spaker ble tilfeldig tildelt venstre og høyre spaker for hver rotte ved begynnelsen av treningen og varierte ikke deretter. En spakrespons på den aktive spaken under DS-oppgaven avsluttet signalet, og den første påfølgende beholderinngangen forårsaket tilførsel av 10 % sukrosebelønning i en brønn plassert i beholderen. DS-presentasjoner der dyret ikke responderte, ble avsluttet etter 10 sekunder. Responser under ITI (mellom signalpresentasjoner) og responser på den inaktive spaken ble registrert, men resulterte ikke i belønningslevering. Dyrene ble trent på DS-oppgaven inntil de responderte på >80 % av DS-ene og <20 % NS-ene i løpet av 2 timers treningsøkter.

Kanaliserte mikroelektrode arrays.

Etter innledende trening ble rottene implantert med kanulerte mikroarrayer bestående av åtte wolfram-mikrotrådelektroder rundt en sentral mikroinjeksjonsføringskanyle. Disse ble konstruert og montert i spesiallagde mikrodrivere som tidligere beskrevet ( du Hoffmann et al., 2011 ). En fullstendig medurs vridning av drivskruen flyttet elektrodene og kanylen som en enhet ventralt 300 μm (uten rotasjon av probene), noe som gjorde det mulig for oss å registrere fra flere unike populasjoner av nevroner i samme dyr.

For å implantere de kanylerte arrayene ble rottene forberedt for kirurgi og plassert i et stereotaksisk instrument som beskrevet tidligere ( du Hoffmann et al., 2011 ; McGinty et al., 2013 ). Anestesi ble indusert og vedlikeholdt med isofluran (0.5–3%). Dyrene fikk antibiotika (Baytril) rett før kirurgi og 24 timer etter kirurgi. Kanylerte arrayer ble implantert bilateralt i den dorsale NAc-kjernen (1.4 mm anteriort og 1.5 mm lateralt fra bregma, og 6.5 mm ventralt fra skallen). Elektroder og mikrodrivere ble festet til skallen med beinskruer og dental akryl, og trådobturatorer ble satt inn i føringskanylene slik at endene av obturatorene var i flukt med endene av føringskanylene. Etter operasjonen ble hodebunnen behandlet med Neo-Predef for å forhindre infeksjon, og dyrene fikk 1 ukes rekonvalesens før de fortsatte med eksperimentene. For smertestillende behandling etter operasjonen ble dyrene gitt 10 mg/kg av det ikke-steroide antiinflammatoriske legemidlet ketoprofen.

Legemidler.

SCH23390 og racloprid ble kjøpt fra Sigma. På testdager ble narkotika nytilberedt ved å oppløse dem i 0.9% steril saltløsning. Legemidler ble administrert ved doser 1.1 μg SCH233390 i 0.55 μl saltvann per side og 6.4 μg rakloprid i 0.8 μl saltvann per side. SCH233390 og racloprid ble infundert henholdsvis henholdsvis 12 og 17.5 min. I pilotforsøk viste vi at bilaterale infusjoner av racloprid som varige 12 min hadde signifikante, men forbigående effekter på DS-responsforholdet. For å forlenge effekten økte vi således varigheten av raklopridinfusjon slik at den tidsmessige profilen av dens farmakologiske virkninger lignet den hos SCH23390. Bare én bilateral eller ensidig injeksjon ble foretatt per innspilling økt (en økt per dag). Alle dyr fikk minst en enkelt bilateral injeksjon av en antagonist, og en (eller flere) ensidige antagonistinjeksjoner. Under noen ensidige antagonistforsøk tilsatte vi samtidig saltløsning som en bilskontroll kontralateral til halvkulen som mottok antagonist.

Mikroinjeksjon og innspillingsprosedyre.

Apparatet for samtidig mikroinjeksjon og registrering har blitt beskrevet tidligere ( du Hoffmann et al., 2011 ). Registreringskabelen som førte fra hodetrinnet avsluttet i en 24-kanals elektrisk kommutator med et sentralt borehull (Moog), som sendte signalene til det elektrofysiologiske registreringssystemet. To sprøyter ble montert i en enkelt sprøytepumpe plassert utenfor kammeret; væskeledninger fra sprøytene førte til en tokanals væskesvivel (Instech Laboratories) montert over kommutatoren. Væskeledninger gikk ned fra svivelen gjennom kommutatorens borehull, løp langs registreringskabelen og avsluttet ved to 33 gauge mikroinjektorer.

Før opptaksøkten ble mikroinjektorene fylt på nytt med medikamentløsning og deretter satt inn i dyrets styrekanyler. Mikroinjektorspissene stakk 0.5 mm utover styrekanylene, slik at spissen på mikroinjektoren var under elektrodespissene og ~670 μm fra midten av hver elektrode. Før fylling med medikament ble væskelinjene og mikroinjektorene fylt med mineralolje, og nivået på olje-vann-grensesnittet ble markert for å lette post hoc- bekreftelse på at medikamentet ble injisert. Til slutt ble hodetrinnet koblet til dyret, og væskelinjene ble godt festet til opptakskabelen for å holde mikroinjektorene på plass under hele eksperimentet. Dyr som ble forberedt på denne måten fikk utføre DS-oppgaven i en grunnlinjeperiode på minst 45 minutter, hvor nevral aktivitet ble registrert. Deretter ble sprøytepumpen slått på eksternt for å infusere medikamentene i hjernen. Injeksjonen krevde ikke håndtering av dyret eller åpning av kammerdøren, og atferdsøkten fortsatte uavbrutt gjennom hele baseline-, infusjons- og postinfusjonsperiodene.

Nevrale spenningssignaler ble registrert med en forsterker med forsterker (enhedsforsterkning), forsterket 10,000 ganger, og digitalisert ved hjelp av kommersiell maskinvare og programvare (Plexon). Vi registrerte fra 379 nevroner i 38 opptak / injeksjon økter i 15 rotter. Av 38-øktene ble 7 kassert på grunn av dårlig oppførsel i løpet av preinjection-basisperioden eller fordi ingen nevroner kunne isoleres på en pålitelig måte. Dermed vår nevrale analyse fokusert på 31 opptak / injeksjon økter der vi registrert fra 322 godt isolerte neuroner i 12 rotter. Etter hver innspilling / injeksjonsøkt ble mikrodrevet som bragte elektrodearrayene avansert ~150 μm (en halv omgang på mikrodrivskruen) for å bevege elektrodene ventralt for å registrere fra en ny populasjon av nevroner. Hvis få (eller nei) nevroner ble observert, ble arraysen avansert annenhver dag til nevroner ble oppdaget.

Analyse.

Dataene ble delt inn i preinjeksjon, postinjeksjon og restitusjonsperioder, som ble definert som henholdsvis 45 minutter før infusjon av antagonistene, 40 minutter som begynner med slutten av injeksjonen, og de siste 33 minuttene (2000 sekunder) av hver økt (som varte totalt 2–3 timer). Postinjeksjonsperioden tilsvarer tiden der legemidlene har sine største atferdseffekter når de injiseres bilateralt ( fig. 1 C ).

 

Figur 1.

Effekter av dopaminreseptorantagonister på DS-cued tilnærming adferd. A, Skjematisk av DS-oppgaven. B, Median (punkt) og mellomkvartiler (vertikale linjer) av DS (oransje) og NS (blå) responsforhold i preinjection-perioden for alle opptredener ...

Isolering av enkeltenheter ble utført offline med Offline Sorter (Plexon) ved bruk av hovedkomponentanalyse. Bare enheter med veldefinerte bølgeformer (> 100 μV) som var tydelig forskjellige fra støynivåer (<20–50 μV) ble inkludert i påfølgende analyser. Interspike intervallfordelinger og kryss-korrelogrammer ble brukt for å sikre at enkeltenheter var godt isolert fra hverandre og fra bakgrunnsstøy (Neural Explorer-programvare; Nex-Tech). Tidsstempler for verifiserte pigger ble analysert med tilpassede rutiner i R-programvaremiljøet. Peristimulus tidshistogrammer konstruert rundt DS og NS, i 50 ms tidskasser, ble brukt til å kvantifisere og oppdage cue-fremkalt eksitasjoner i Tall 2A, , 3,3, , 4,4, , 55A, , 66A, , 77A, , 88Aog and1010A-C. For å bestemme om en neuron utviste en signifikant DS-fremkalt excitasjon, ble Poisson-sannsynlighetsfordelingsfunksjonen beregnet for 10s basislinjeperiode før hver cue. En neuron ble ansett som DS opphisset dersom den viste gjennomsnittlige spike-tall over det øvre 99% konfidensintervallet for fordelingen av baseline-avfyringshastigheter i en eller flere 50 ms-bokser mellom 50 og 200 ms etter cue start. For neuroner med signifikante DS-fremkalte excitasjoner i preinjection-basisperioden, ble gjennomsnittlig avfyringsfrekvens i 50 ms binær tid låst til DS og NS utgang oppnådd for hver periode i hver økt, og gjennomsnittet og medianen (Fig. 2C-E, , 55A, , 66A, , 77A, , 88A, , 1010B,C) skytehastigheter over neuroner ble sammenlignet. Fordi nevroner med statistisk detekterbar NS-eksitasjon var nesten alltid opphisset av DS [ikke vist, men tidligere rapportert (Ambroggi et al., 2011)], analyserte vi NS-responser for alle neuroner med signifikant DS-respons. Med mindre annet er angitt, benyttet alle statistiske sammenligninger innenfor Wilcoxon rangsummestester innen neuron.

 

Figur 2.

DS-fremkalte excitasjoner forutsier etterfølgende belønningsøkende oppførsel og koder nærhet til spaken. A, Gjennomsnittlig preinjection peri-event tid histogrammer justert til begynnelsen av DS (oransje spor) eller NS (blå spor) for 145 neuroner med betydelig excitatory ...

 

Figur 3.

Eksempel neuroner viser at D1 og D2 antagonister reduserer DS-fremkalt excitasjon. Raster og tilhørende histogrammer viser avfyring av fire forskjellige DS-spennende nevroner rettet mot DS-start. Data er fra de siste 40-forsøkene umiddelbart før starten ...

 

Figur 4.

Effektene av bilateral dopaminantagonistinjeksjon på cue-fremkalt excitasjon forutsier atferdsmessige effekter på prøve etter prøve. A, C, Prøve-for-prøve-analyse av neuronal koding av rottenes ventetid for å nå spaken for de samme nevronene som er vist ...

 

Figur 5.

D1-reseptoraktivering er nødvendig for DS-fremkalt excitasjon. A, Peri-event tid histogrammer justert til DS start for neuroner med betydelig DS-fremkalt excitasjon i preinjection perioden. Spor og skyer indikerer gjennomsnittlig ± SEM-brennhastighet ...

 

Figur 6.

D2-reseptoraktivering er nødvendig for DS-fremkalt excitasjon. A, Peri-event tid histogrammer justert til DS start for neuroner med signifikant DS-fremkalt excitasjon i perioden før racloprid injeksjon. DS-fremkalle excitasjoner ble redusert med bilaterale ...

 

Figur 7.

D1-reseptoraktivering er ikke nødvendig for NS-fremkalt excitasjon. A, Peri-event tid histogrammer justert til NS start for neuroner med betydelig DS-fremkalt excitasjon i preinjection perioden. Disse populasjonene overlapper helt, og dermed de samme nevronene ...

 

Figur 8.

D2-reseptoraktivering er nødvendig for NS-fremkalt excitasjon. A, Peri-event tid histogrammer justert til NS start for neuroner med betydelig DS-fremkalt excitasjon i preinjection perioden. NS-eksitasjon ble redusert i de bilaterale og ipsilaterale forhold ...

 

Figur 10.

Salininfusjon påvirker ikke DS- eller NS-fremkalt excitering, og det er ikke nødvendig med D1 eller D2-reseptor aktivering for vedlikehold av baseline-avfyringshastigheter. A, Enkelt DS-opphisset neuron registrert under salininfusjon. Konvensjoner er identiske med de ...

For figur 4 bestemte vi om effektene av bilateral antagonistinjeksjon på latensen for å nå spaken var korrelert med effektene av antagonistene på størrelsen av DS-fremkalt eksitasjon på en forsøk-for-forsøk-basis. Først beregnet vi den gjennomsnittlige avfyringshastigheten fra 100 til 400 ms etter DS-debut i hver prøve for alle registrerte nevroner som viste signifikant DS-eksitasjon før bilateral infusjon av antagonistene. Deretter beregnet vi for hver nevron Spearmans rangkorrelasjonskoeffisient, som sammenlignet forsøk-for-forsøk størrelsen på DS-fremkalt eksitasjon og rottens latens for å nå spaken i tilsvarende forsøk. Disse korrelasjonene ble plottet i histogrammer i figur 4 B , D. Alle DS-forsøk ble inkludert i denne analysen; hvis dyret ikke trykket på spaken, ble en latens på 10 s (maksimal lengde på signalpresentasjon) tilordnet den prøven. Vi beregnet disse korrelasjonskoeffisientene for preinjeksjonsperioden som definert ovenfor; Vi forlenget perioden etter injeksjon med 1000 sekunder for å få et bredere utvalg av latenser i forsøk der dyrene responderte etter bilateral infusjon. For å vurdere signifikansen av de individuelle korrelasjonene brukte vi en tosidig asymptotisk t- approksimasjon fordi en eksakt p- verdi ikke kan beregnes når det er likheter i rangdataene. Deretter brukte vi parede Wilcoxon-tester for å sammenligne medianene av fordelingene av korrelasjonskoeffisienter før og etter antagonistinfusjon.

Fordi NAc-nevroner har lave baseline-avfyringsrater med nedre grenser for konfidensintervallet som ofte strekker seg over null, er inhiberinger langt vanskeligere å oppdage og kvantifisere enn eksitasjoner. I tillegg til prosedyren beskrevet ovenfor, som ble brukt til å oppdage eksitasjon, brukte vi derfor også ROC-analyse (Receiver Operating Characteristic), en mer sensitiv metode, for å kvantifisere sannsynligheten for at avfyringsraten i påfølgende 50 ms-tidsintervaller etter signalutløsning var forskjellig fra avfyringsraten i 10 sekunders precue-baseline. Denne analysen ble utført separat for pre-injeksjons- og post-injeksjonsperioder. For hver intervall beregnet vi arealet under ROC-kurven (AUC); AUC-verdier på 0.5 indikerer ingen forskjell fra precue-avfyring, mens verdier nærmere 0 eller 1 indikerer større sannsynlighet for at nevronet er henholdsvis hemmet eller eksitert. For å fremstille postcue-nevronaktiviteten på en objektiv måte over hele populasjonen av registrerte nevroner, ble avfyringsrater og AUC-verdier beregnet for 50 ms-intervaller; for å jevne ut dataene ble intervallene fremskyndet med 10 ms for påfølgende AUC-beregninger. De utjevnede AUC- verdiene ble deretter plottet som varmekart med 10 ms oppløsning (der hver verdi representerer AUC i de neste 50 ms) i figur 5 B , 66 B , 77 B , 88 B og 1010 D og E.

Deretter kvantifiserte vi om AUC-verdier, beregnet i ikke-overlappende 50 ms-binger, reflekterte en signifikant forskjell i avfyring. For hver bin genererte vi først 10 000 bootstrappede AUC-verdier fra tilfeldige omstokkinger av precue-baseline-avfyringshastigheten og avfyringshastigheten i den tilsvarende postcue-bingen. Deretter bestemte vi den tosidige sannsynligheten for at den faktiske AUC-verdien ble trukket fra fordelingen av bootstrappede verdier. Hvis sannsynligheten var <0.05, anså vi avfyringen i bingen for å være signifikant forskjellig fra precue-baseline. Til slutt telte vi antall nevroner med avfyringshastigheter i hver bin som var signifikant større enn eller mindre enn precue-baseline-avfyringen, og plottet disse verdiene som brøkdeler av den totale populasjonen ( fig. 5 C , 66 C , 77 C , 88 C , 99 B , D , 1010 F , G ).

 

Figur 9.

Neural aktivitet som er justert for å belønne beholderoppføring, påvirkes ikke av ipsilateral eller kontralateral D1 eller D2 antagonistinjeksjon. A, C, ROC AUC-verdier beregnes og vises som beskrevet i Figur 5B, bortsett fra at tidsfeltene er lengre (200 ms) og justert ...

For å sammenligne andelene av nevroner som ble eksitert eller hemmet i periodene før og etter injeksjon, brukte vi en datareduksjonsmetode. Først beregnet vi andelen av 50 ms-binger mellom 0 og 1 sekund etter signalets start der hvert nevron viste signifikant eksitasjon eller hemming. Deretter sammenlignet vi disse fraksjonene i periodene før og etter injeksjon med en paret Wilcoxon-test. Nevroner som ikke viste signifikant modulering i noen binger i både periodene før og etter injeksjon ble ekskludert fra denne analysen og ble ikke inkludert i plottene som viser medianfraksjonen av signifikante binger (prikk- og værhårplott på høyre side av hver del i figurene 5 C , 66 C , 77 C , 88 C , 1010 F , G ). Denne prosedyren eliminerte påvirkningen fra den store populasjonen av nevroner uten forskjell i aktivitet mellom vinduet etter DS og baseline før DS; Denne populasjonen er av liten interesse, men den bidrar med et stort antall nullverdier som forvrenger medianantallet signifikante binger mot 0 og tilslører både reduksjoner og økninger i andelen signifikante binger etter infusjon.

Lignende analyser ble utført for forbruksrelatert avfyring som oppstod etter at dyrene kom inn i belønningsbeholderen. Dyrene hadde en tendens til å forbli i beholderen i >5 sekunder. For å fange opp disse relativt lange tidsintervallene viser vi derfor resultatene ved hjelp av 200 ms-intervaller ( fig. 9 ). Tidsvinduet for å sammenligne andelene av nevroner som ble eksitert i periodene før og etter injeksjon var fra 0 til 1.5 sekunder, mens det var fra 0 til 5 sekunder for inhiberinger. Et kortere analysevindu ble brukt for eksitasjoner fordi de hadde en tendens til å være mer forbigående. ROC-analyser ble utført på Albert Einstein College of Medicine High Performance Computing Cluster ved hjelp av pROC-pakken for R.

For å sammenligne «grunnlinje»-avfyringsrater som oppstår utenfor oppgavehendelser, sammenlignet vi den gjennomsnittlige avfyringsraten i 10 s-binger før hver DS-preinjeksjon og postinjeksjon av antagonistene. Denne prosedyren er funksjonelt ekvivalent med tilfeldig utvalg av grunnlinje-avfyringsrater fordi DS-er presenteres med nesten lik sannsynlighet når som helst i løpet av en atferdsøkt. Nevroner ble klassifisert som å vise signifikant DS-fremkalt eksitasjon (før medikamentinfusjon) eller ikke, og deretter ble grunnlinje-avfyringsrater i preinjeksjons- og postinjeksjonsperiodene sammenlignet innenfor disse gruppene med en paret Wilcoxon-test ( fig. 10 H , I ). Vi utførte også en lineær tilpasning for DS-eksiterte nevroner og sammenlignet hellingen til denne linjen med enhetslinjen (helling på 1).

Hvis flere sammenligninger ble utført på delsett av data som kom fra samme emne (Fig. 2C-E, , 55A,C, , 66A,C, , 77A,C, , 88A,C, , 99B,D, , 1010B,C,F,G), p verdier ble Bonferroni korrigert; dvs. p verdien ble multiplisert med antall sammenligninger som ble gjort. Rettet opp p verdiene ble vurdert som signifikante hvis p <0.05. Alle korreksjoner ble gjort med faktoren 3 bortsett fra Figur 2C-E, hvor faktoren var 2.

Video sporing.

I en delmengde av eksperimentene ble rottens posisjon målt ved hjelp av et overheadkamera (30 bilder/s) og et datastyrt sporingssystem (Cineplex; Plexon). Systemet sporet x- og y- posisjonene til to LED-er i forskjellige farger festet til opptakshodet. Som tidligere beskrevet ( McGinty et al., 2013 ), beregnet vi et tyngdepunkt som beskriver midtpunktet mellom LED-posisjonene for hver videoramme. Manglende datapunkter opptil 10 påfølgende bilder ble fylt ut med lineær interpolasjon; i de sjeldne tilfellene der >10 bilder manglet, ble dataene forkastet. For hver videoramme beregnet vi SD-en for avstandene mellom tyngdepunktets posisjon i den rammen og i et tidsvindu på ±200 ms. Disse SD-målingene utgjør lokomotorindeksen (LI) for den rammen i videoen. Log-transformerte LI-er var bimodalt fordelt, med en nedre topp som representerte epoker med liten eller ingen bevegelse og en øvre topp som representerte bevegelse ( Drai et al., 2000 ). Deretter tilpasset vi to Gaussiske funksjoner til fordelingen av LI-er, og bestemte bevegelsesterskelen som punktet der disse funksjonene overlappet minst.

Bevegelser ble definert som minst åtte påfølgende rammer med LI-er over den lokomotoriske terskelen. For å bestemme tidspunktet for bevegelsesdebut, begrenset vi analysen til DS-forsøk der dyret fortsatt var ved signaldebut, og beregnet deretter latensen mellom signaldebut og den første rammen der LI overskred bevegelsesterskelen ( fig. 1 D–F , 22 B , D ). Hvis ingen merkbar bevegelse ble målt i et forsøk, ble latensen i det forsøket definert som >10 s (lengden på signalpresentasjonen, fig. 1 D ). Lignende resultater ble oppnådd når slike forsøk ble utelatt fra analysen (data ikke vist). DS-ledede bevegelseslatensfordelinger ble deretter samlet på tvers av rotter, og medianene ble sammenlignet med en Wilcoxon-test. For å kvantifisere latens til maksimal hastighet og gjennomsnittshastighet for DS-ledede spakstyrte bevegelser, brukte vi alle forsøk som endte med et spakpress, selv om rotten beveget seg ved DS-debut ( fig. 1 E , F ).

Histologi.

Dyrene ble dypt bedøvet med Euthasol og perfusert intrakardielt med saltvann og 4 % formalin. Likestrøm (15 μA) ble ført gjennom hver av elektrodene i arrayene i ~30 sekunder for å generere lesjoner. Hjernene ble fjernet og lagret i formalin inntil de ble bearbeidet. Før oppskjæring med en kryostat ble hjernene kryobeskyttet ved nedsenking i 30 % sukrose i flere dager. Snitt (50 μm) ble farget for Nissl-substans for å visualisere kanyle- og elektrodespor og lesjoner ( fig. 11 ).

 

Figur 11.

Histologisk rekonstruksjon av antagonistinjeksjonssteder. Figur skildrer to koronale seksjoner av rottehjerne som omfatter størstedelen av den fremre og bakre utstrekningen av NAc (0.8 mm-2.8 mm fremre fra bregma). Svarte prikker representerer ...

Resultater

Vi presenterte rotter for to auditive stimuli med variable intervaller på gjennomsnittlig 30 sekunder: en belønningsprediktiv DS og en NS ( fig. 1 A ; Nicola et al., 2004a , b ; Ambroggi et al., 2008 , 2011 ; McGinty et al., 2013 ). Et trykk på spaken under DS avsluttet signalet, og en dråpe sukrose ble levert ved inntreden i belønningsbeholderen. Hvis dyrene ikke responderte innen 10 sekunder, ble signalet avsluttet uten belønningslevering, og intervallet mellom forsøkene startet. Responser i løpet av dette intervallet og under NS hadde ingen programmert konsekvens. NS-er var alltid 10 sekunder. Trente dyr, som responderte på de fleste DS-er, men få NS-er ( fig. 1 B ), ble implantert med kanulerte arrays rettet mot NAc-kjernen. Under eksperimentene utførte dyrene først oppgaven i en 45-minutters preinjeksjonsperiode hvor NAc-nevronal aktivitet ble registrert. Deretter ble D1-reseptorantagonisten SCH23390 eller D2/3-antagonisten rakloprid infundert bilateralt eller ensidig i NAc; dyrene forble i kammeret med oppgaveberedskap gjennom hele infusjonen og i minst 75 minutter etterpå.

I samsvar med tidligere studier ( Yun et al., 2004 ; Nicola, 2010 ), reduserte bilaterale infusjoner av begge antagonistene i NAc-kjernen betydelig andelen DS-er som dyret responderte på ( fig. 1 C , mørkegrå linjer) og økte latensen for å starte bevegelse, målt ved videosporing i en delmengde av økter ( fig. 1 D , grå stiplede linjer). I motsetning til dette hadde unilaterale infusjoner av de samme dosene ingen effekt på DS-responsforholdet ( fig. 1 C , lysegrå linjer), latens for å starte bevegelse etter DS-debut ( fig. 1 D , stiplede lysoransje linjer) og latens for å nå spaken eller bevegelseshastigheten under spaktilnærminger ( fig. 1 E , F ). Disse atferdsdataene viser at NAc-dopamin i en enkelt hemisfære er tilstrekkelig til å opprettholde atferd selv om blokade av D1- eller D2/3-reseptorer i begge hemisfærene svekker responsen alvorlig. Denne dissosiasjonen gir en kritisk eksperimentell fordel, ettersom den lar oss teste effekten av dopaminantagonister på nevral aktivitet når atferden er svekket (bilateral injeksjon) og når den ikke er det (ensidig injeksjon), og dermed utelukke den potensielle forvirringen om at eventuelle observerte endringer i nevral aktivitet etter antagonistinfusjon er sekundære til endringer i atferd.

Vi registrerte fra 322 NAc-nevroner i 31 opptaks-/injeksjonsøkter hos 12 rotter. Omtrent 45 % av de registrerte nevronene ble signifikant eksitert av DS-presentasjon. Disse eksitasjonene viste egenskaper som ligner på de som er rapportert tidligere ( Yun et al., 2004 ; Nicola et al., 2004a ; Ambroggi et al., 2011 ; McGinty et al., 2013 ; Morrison og Nicola, 2014 ): de var større enn de som ble fremkalt av NS-er ( fig. 2 A ); de begynte med kort latens etter signalstart (∼120 ms) og oppstod før initiering av spakstyrt bevegelse ( fig. 2 B ); og størrelsen deres var korrelert med sannsynligheten for en atferdsrespons, bevegelsesinitieringslatens og nærhet til spaken ( McGinty et al., 2013 ; fig. 2 C–E ).

Bilateral infusjon av enten D1or D2 / D3 antagonisten forårsaket en kraftig reduksjon i størrelsen på DS-fremkalt excitasjon. Som vist i to eksempler nevroner (Fig. 3A,C), var denne effekten mest uttalt i minuttene umiddelbart etter infusjonen, tilsvarende den maksimale reduksjonen i cue-fremkalt tilnærming adferd forårsaket av injeksjonene (Fig. 3A,C, blå raster og histogrammer). Når den adferdseffekten gjenvunnet, ble også avfyringsresponsen oppnådd (Fig. 3A,C, svarte raster og histogrammer). Dette mønsteret av resultater var konsistent over cue-excited nevroner (Fig. 5A, , 66A, Bilaterale histogrammer og kinnskjegg). Støtter hypotesen om at disse eksitasjonene setter kraften i spaken tilnærmingsbevegelse, størrelsen på den cue-fremkalte eksitasjonen i preinjeksjonsperioden forutsa dyrets ventetid for å nå spaken (Fig. 4A,C, venstre). Etter bilateral D1 eller D2 antagonistinjeksjon ble disse latene markert skiftet til høyere verdier, ofte så høy at det ikke var noe svar i det hele tatt innenfor 10 s cue-presentasjonen (Fig. 4A,C, venstre og høyre latensfordeling). Påfallende, selv om cue-fremkalt avfyring ble redusert av antagonister, fortsatte den å forutsi effekten av atferdsresponsen i løpet av postinjeksjons- og gjenopprettingstidene (Fig. 4A,C, høyre raster tomter). Denne observasjonen indikerer at den adferdsmessige og neurale virkningen av medikamentet var korrelert på prøveprøvebasis: jo større reduksjon i avfyring forårsaket av en dopaminantagonist, desto større latens når armen og jo lavere er sannsynligheten for at dyret nådde grepet i det hele tatt.

For å vurdere konsistensen av denne korrelasjonen fra forsøk til forsøk, beregnet vi, for hvert signal-eksiterte nevron, Spearman-rangkorrelasjonen mellom størrelsen på eksitasjonen og latensen for å trykke på spaken. Vi tilordnet en latens på 10 sekunder til forsøk der det ikke var noen respons; latensen i disse forsøkene var derfor lik den høyeste rangeringen. (Lignende resultater ble oppnådd hvis forsøk uten en DS-signalert spakrespons ble utelatt fra analysen; data ikke vist.) Da vi sammenlignet korrelasjonskoeffisientene i preinjeksjonsperioden med de i den kombinerte postinjeksjons-/gjenopprettingsperioden, fant vi at nesten alle koeffisientene var negative i begge periodene. Dessuten hadde antagonistene enten ingen signifikant effekt på mediankoeffisienten eller forskjøvet fordelingen mot enda mer negative verdier ( fig. 4 B , D ). Derfor forutsier ikke bare populasjonen av signal-eksiterte nevroner pålitelig latensen for atferdsresponsen, men økningen i responslatens forårsaket av en antagonist i et gitt forsøk er robust forutsagt av antagonistens effekter på signal-fremkalt eksitasjon i det forsøket. Disse resultatene gir sterke bevis for en årsakssammenheng for endogen dopamin i å sette kraften i den belønningssøkende responsen på signalet: dopamin øker den signalfremkalte eksitasjonen av NAc-nevroner, som igjen forårsaker en kort latens-tilnærming til spaken.

En alternativ tolkning av disse resultatene er at redusert signalfremkalt eksitasjon er en konsekvens av redusert atferdsrespons – kanskje fordi eksitasjonen bare sporer (eller forutser) atferdsresponsen, men ikke er årsakssammenhengende med den. Hvis dette var tilfelle, burde ikke bruk av antagonistene på en slik måte at de ikke påvirker atferden resultere i redusert signalfremkalt eksitasjon. Som vist i to eksempelnevroner ( fig. 3B , D ), reduserte imidlertid ensidig injeksjon av enten D1- eller D2/D3-antagonisten markant størrelsen på signalfremkalt eksitasjon , selv om ensidige injeksjoner ikke endret atferdsprestasjonen. Lignende resultater ble oppnådd ved gjennomsnittsberegning av signalfremkalte eksitasjoner registrert i den injiserte NAc-en ( fig. 5A , 66A , ipsilaterale histogrammer). I tillegg viser gjennomsnittsdataene at signalfremkalte eksitasjoner i nevroner registrert i NAc-en kontralateralt til injeksjonen ikke ble påvirket ( fig . 5A , 66A , kontralaterale histogrammer). For å utelukke muligheten for at reduksjonen i signalfremkalt eksitasjon ipsilateralt til injeksjonene skyldtes små forskjeller i sannsynlighet for atferdsrespons, gjentok vi analysen etter å ha ekskludert alle forsøk der dyret ikke viste noen trykkrespons på spaken; lignende resultater ble oppnådd (data ikke vist; p < 0.05 for både D1- og D2-antagonister, Wilcoxon). Disse resultatene indikerer at den antagonistinduserte reduksjonen i signalfremkalt eksitasjon sannsynligvis ikke er en konsekvens av svekket atferdsprestasjon.

Selv om de temporale egenskapene til cue-fremkalt excitasjon var ganske like på tvers av nevroner, var inhiberinger etter cue-utbruddet mer varierte, typisk utstilt senere utbrudd og mindre stereotypiske tidskurser enn eksitasjoner (Fig. 5B, , 66B). Analyser av hemninger (og i en grad eksitasjoner) som fokuserer på et tidsvindu kan derfor savne en signifikant del av signalet. Videre kan standard statistiske deteksjonsmetoder ikke konsekvent identifisere avtar fra svært lave basale avfyringshastigheter, inkludert for mange NAc-neuroner. For å omgå disse problemene, tok vi en mer inkluderende tilnærming der vi kvantifiserte, for 50 ms post-time-tidsvinduer i hver registrert neuron, ROC AUC som representerer forskjellen mellom avfyring i esken og den forutgående basislinjen. Varmekart over AUC-verdier i tidsfelter justert til DS-start (Fig. 5B, , 66B) demonstrerer at reduksjon i DS-fremkalt excitasjon etter bilaterale og ipsilaterale (men ikke kontralaterale) injeksjoner av D1- og D2-antagonister ble uttalt i nesten hver cue-opphisset neuron og skjedde over hele tiden for eksitasjonen. I motsetning ble inhibering etter DS-inntreden ikke redusert. For å kvantifisere disse effektene, bestemte vi oss for hvorvidt hver AUC-verdi indikerte en signifikant forskjell fra baseline ved å beregne en oppstartspotert p-verdi som representerer sannsynligheten for at AUC ble samplet fra fordelingen av AUCer generert fra tilfeldig shuffled baseline og post-bin-avfyringshastigheter (se Materialer og metoder). Som vist ved tegninger av andelen neuroner som utviser signifikant (p <0.05) eksitasjon eller inhibering i hver søppel justert til DS-debut (Fig. 5C, , 66C, venstre plott i hver kolonne) ble fraksjonen av excitasjoner, men ikke hemmer, redusert ved bilaterale og ipsilaterale injeksjoner av antagonister. Denne tolkningen ble bekreftet statistisk ved å sammenligne proporsjoner av signifikant opphissede og hemmede hyller over hele 1 s etter DS-vinduet (Fig. 5C, , 66C, punktplott). Dermed ble eksitasjoner etter DS-start redusert ved D1- og D2-antagonistinjeksjon, men inhiberinger var ikke.

Antallet nevroner som viste signifikant hemming økte faktisk etter noen typer injeksjoner ( fig. 5 B , C , 66 B , C ). Disse emergente hemmingene har sannsynligvis ikke bidratt til de atferdsmessige effektene av bilaterale antagonistinfusjoner fordi de ikke var konsistente (f.eks. forekom de etter bilateral og kontralateral, men ikke ipsilateral D1-antagonistinjeksjon og etter ipsilateral, men ikke bilateral D2-antagonistinjeksjon), og derfor forklarer de ikke de atferdsmessige effektene av antagonistene. Videre var disse sene hemmingene mest fremtredende ~600 ms etter DS-debut, et tidspunkt der ~50 % av den målrettede tilnærmingsatferden allerede var initiert i kontrolltilstanden ( fig. 2 B ). Følgelig er det usannsynlig at emergente hemninger bidro til den antagonistinduserte økningen i tilnærmingsinitieringslatens eller reduksjon i responssannsynlighet. Interessant nok forekom de aller fleste emergente hemminger i DS-eksiterte nevroner, vanligvis mot slutten av eksitasjonen (bilateral D1-antagonist: 14/17 nevroner, 82 %; ipsilateral D2-antagonist: 11/16 nevroner, 69 %; fig. 5 B , C , 66 B , C ), noe som stemmer overens med muligheten for at de ble avslørt av den antagonistinduserte reduksjonen av den eksitatoriske responsen, og støtter hypotesen om at avfyringen av DS-eksiterte nevroner er årsak til initiering av tilnærmingsatferd.

NS-presentasjoner, som sjeldent fremkalte leverpress-responser (Fig. 1B), fremkalt liten, men konsekvent eksitasjon i de samme nevronene som var spente av DS (Fig. 2A). Overraskende ble ikke NS-fremkalle excitasjoner redusert av D1-antagonisten, enten i størrelse (Fig. 7A) eller i antall spente nevroner (Fig. 7B,C). I motsetning derved reduserte D2-antagonistinjeksjon både størrelsen og antall NS-fremkalte excitasjoner (Fig. 8). NS-fremkalte hemninger ble ikke redusert med enten antagonist (Fig. 7B,C, , 88B,C). Under disse forholdene krever D1-reseptoraktivering for NAc-neuroner å produsere stor-magnitude excitasjoner som respons på fremtredende belønnings-prediktive stimuli, mens D2-reseptoraktivering er nødvendig for respons på både belønnings-prediktive og nøytrale stimuli.

Vi vurderte muligheten for at redusert belønningssøkende atferd etter bilaterale infusjoner kunne ha skyldtes avbrudd i en nevral prosess relatert til forsterkning eller hedonisk prosessering av belønning. Slike prosesser kan involvere subpopulasjoner av NAc-nevroner som hemmes eller eksiteres under inntak av sukrose ( Nicola et al., 2004b ; Roitman et al., 2005 ; Taha og Fields, 2005 ). Fordi dyr fortsatte å tjene belønning etter ensidig antagonistinfusjon, kunne vi avgjøre om nevronaktivitet relatert til belønningsforbruk var avhengig av dopaminreseptoraktivering. Vi undersøkte avfyring i løpet av de 5 sekundene etter at dyret gikk inn i belønningsbeholderen, tidsperioden der belønningsforbruk vanligvis forekommer ( Nicola, 2010 ). Ved hjelp av ROC-analyse sammenlignet vi avfyring i 200 ms-binger innenfor dette vinduet med 10 sekunders precue-grunnlinje; varmekart av de resulterende AUC-verdiene viser liten effekt av antagonistinjeksjon verken ipsilateral eller kontralateral til injeksjonen ( fig. 9 A , C ). Andelene av eksiterte og hemmede nevroner ble ikke påvirket av antagonistene ( fig. 9 B , D ), noe som sterkt tyder på at forbruksrelaterte eksitasjoner og hemninger ikke er avhengige av dopamin. Lignende resultater ble oppnådd da vi utførte den samme analysen ved bruk av 50 ms-bins (data ikke vist).

For å utelukke muligheten for at de observerte resultatene skyldtes en annen faktor enn antagonisten (f.eks. fysisk forstyrrelse forårsaket av injeksjonen eller en komponent i legemiddelbæreren) injiserte vi saltvann i noen eksperimenter. Som vist av et eksempelnevron ( fig. 10 A ) og av den gjennomsnittlige eksitasjonen over signaleksiterte nevroner ( fig. 10 B ), ble DS-fremkalte eksitasjoner ikke endret av saltvannsinjeksjon; NS-fremkalte eksitasjoner ble heller ikke påvirket ( fig. 10 C ). Dessuten påvirket ikke saltvannsinjeksjon andelen nevroner som viste signifikant eksitasjon og inhibering etter DS- eller NS-debut ( fig. 10 D–G ).

Til slutt spurte vi om dopaminreseptoraktivering kunne være permissiv for signalisert tilnærmingsatferd ved å bidra til baseline-avfyringsrater for NAc-nevroner. I strid med denne hypotesen var det ingen signifikant effekt av verken D1- eller D2-antagonisten på baseline-avfyringsrater for verken DS-eksiterte eller andre NAc-nevroner ( fig. 10 H , I ).

Diskusjon

Disse funnene tyder på en mekanisme hvor NAc dopamin fremmer belønningsøkende oppførsel fremkalt av miljøstimuli: dopaminreceptoraktivering letter cue-fremkalt excitasjoner, som igjen fremmer kortvarig initiering av tilnærming til belønningsassosierte objekter. Denne konklusjonen støttes sterkt av observasjonen at bilateral dopaminantagonistinjeksjon både økte latensen til å initiere bevegelse (Fig. 1D) og redusert størrelsen på cue-fremkalt excitasjoner (Fig. 33​-6). Redusert cue-fremkalt excitasjon kan ikke ha vært en konsekvens av nedsatt oppførsel fordi unilaterale injeksjoner ikke endret DS-cued-oppførsel (Fig. 1C-F), men dypt redusert DS-fremkalt excitasjon i injisert vev (Fig. 3B,D, , 5,5, , 6) .6). Disse excitasjonene var en overveiende nevrale respons i NAc (forekommende i 45% av de registrerte nevronene), og de begge gikk foran bevegelsesstart (Fig. 2B) og forventet bevegelsesinitivasjonstid med større avfyring på forsøk med kortere ventetid (Fig. 2D) (McGinty et al., 2013; Morrison og Nicola, 2014). Derfor er cue-fremkalt excitering både dopamin-avhengig og nødvendig for kraftig belønningsøkning.

Resultatene våre viser at signalfremkalt eksitasjon, og ingen annen form for nevral aktivitet i NAc, sannsynligvis er et kritisk signal i den nevrale kretsen som bestemmer latensen til målrettede bevegelser. Denne konklusjonen følger av observasjonen om at antagonistene reduserte signalfremkalt eksitasjon uten å redusere signalfremkalte hemninger, belønningskonsumpsjonsassosiert avfyring eller baseline avfyringsrater. Videre var forsøkene der bilaterale injeksjoner av antagonistene var mest effektive for å redusere eksitasjonen, de der de forårsaket den største atferdsforstyrrelsen ( fig. 4 ), noe som argumenterer sterkt mot muligheten for at en annen uoppdaget endring i nevronal koding var ansvarlig for atferdseffektene. Derfor knytter dataene våre sterkt sammen dopaminreseptoraktivering i NAc, omfanget av signalfremkalt eksitasjon og dyrets latens for å starte belønningssøking.

Tidligere arbeid viste at VTA-inaktivering som reduserte NAc-fremkalte eksitasjoner og hemninger også forhindret dyr i å vise fremkalt tilnærmingsatferd ( Yun et al., 2004 ). Denne studien utelukket imidlertid ikke muligheten for at disse endringene var en indirekte kretseffekt. Her demonstrerer vi at dopaminreseptorer lokale for de registrerte nevronene er nødvendige for fremkalt eksitasjon, noe som eliminerer muligheten for at antagonisteffektene skyldes en virkning av dopamin oppstrøms for NAc. I motsetning til dette, selv om fremkalte hemninger ble redusert ved VTA-inaktivering ( Yun et al., 2004 ), ble de ikke redusert ved lokal dopaminantagonistinjeksjon, og derfor er det usannsynlig at disse hemmingene er et resultat av en direkte virkning av dopamin i NAc.

Effektene av D1- og D2-antagonister på både DS-fremkalt tilnærming og DS-fremkalt avfyring var bemerkelsesverdig like. Disse observasjonene er konsistente med en lang rekke NAc mikroinjeksjonseksperimenter hvor D1 og D2 antagonister produserte nesten uutslettelige atferdsvirkninger ved doser som ligner vår (Hiroi og White, 1991; Ozer et al., 1997; Koch et al., 2000; Eiler et al., 2006; Pezze et al., 2007; Lex og Hauber, 2008; Liao, 2008; Nicola, 2010; Shin et al., 2010; Haghparast et al., 2012). Disse resultatene, sammen med kontrasten mellom antagonistkonsentrasjonen i injeksjonsmidlet som kreves for å observere effekter (mm) og stoffets affinitet for deres mål (nm), stiller spørsmålstegn ved om stoffets effekter er spesifikke. Selv om den effektive konsentrasjonen i reseptoren sannsynligvis vil være betydelig lavere enn den injiserte konsentrasjon på grunn av diffusjon, metabolisme og oksydasjon av legemidlene, er den kombinerte effekt og tidskurs av disse prosessene ukjent. Derfor er en formell mulighet at både de adferdsmessige og elektrofysiologiske effektene av SCH23390 og racloprid er resultatet av begge legemidler som binder en eller flere reseptorer som ikke er bundet av dopamin i det hele tatt. Flere faktorer argumenterer mot denne muligheten. Cue-fremkalt tilnærming adferd er blokkert ikke bare av SCH23390 og raclopride, men også ved injeksjon av den bredspektrede dopaminreseptorantagonisten flupenthixol i NAc (Di Ciano et al., 2001; Saunders og Robinson, 2012), ved inaktivering av VTA (Yun et al., 2004) og ved lesjon av NAc med 6-hydroksydopamin (Parkinson et al., 2002), som selektivt dreper katekolaminerge fibre. Dessuten øker NAc-injeksjonen av en dopaminreopptaksblocker, en D1- eller D2-reseptoragonist eller dopamin-releaseramfetaminet sannsynligheten for cued-tilnærming (Wyvell og Berridge, 2000; Nicola et al., 2005; du Hoffmann og Nicola, 2013). Endelig dempes optogenisk selvstimulering av VTA dopaminneuroner (en oppførsel som utvilsomt opprettholdes ved aktivering av dopaminneuron) ved injeksjon av SCH23390 eller racloprid i NAc ved doser som ligner de som brukes her (Steinberg et al., 2014). Det er vanskelig å tenke på en enkel mekanisme som kunne utgjøre hvert av disse resultatene uten å legge til den SCH23390- og racloprid-blokkerte tilnærmingen ved å blokkere virkningene av endogent dopamin.

En alternativ mulighet er at antagonistene ikke bare binder sine målreseptorer, men også dopaminreseptorer utenfor målområdet. Ved konsentrasjoner på 10 μm eller lavere binder ikke rakloprid seg til D1-lignende reseptorer ( Hall et al., 1986 ); høyere konsentrasjoner har ikke blitt testet. Derfor kan rakloprid være spesifikt for D2/D3-reseptorer selv ved mm injeksjonskonsentrasjonene som brukes av oss og andre, spesielt etter at diffusjon, metabolisme og oksidasjon er tatt i betraktning. Estimater av SCH23390-bindingskonstanten til D2-lignende reseptorer varierer mellom 1 og 5 μm ( Bourne, 2001 ; Mottola et al., 2002 ); selv om disse verdiene antyder at SCH23390 binder seg til D2/D3-reseptorer ved de injiserte konsentrasjonene, er den funksjonelle effekten av SCH23390 i å blokkere aktivering av D2-lignende reseptorer av dopamin ukjent. Vår observasjon om at rakloprid reduserte NS-fremkalt eksitasjon, mens SCH23390, støtter ikke ideen om at legemidlene virket på forskjellige reseptorer, men demonstrerer ikke definitivt deres spesifisitet. Likevel, selv om ett eller begge legemidlene blokkerte begge reseptortypene for å redusere DS-fremkalt eksitasjon, ville dette være helt i samsvar med vår konklusjon om at aktivering av minst én form for dopaminreseptor er nødvendig for DS-fremkalt eksitasjon. Selv om spørsmålet om legemidlets spesifisitet forblir ubesvart, svekker dette spørsmålet bare marginalt vår hovedkonklusjon om at dopamin forenkler signalbasert tilnærming ved å øke signalbasert eksitasjon.

Hvis medisinene faktisk virket spesifikt, tyder funnene våre om at D1- og D2/D3-antagonister hver reduserte signalfremkalt avfyring i de fleste signaleksiterte nevroner på at aktivering av disse reseptorene synergistisk fører til eksitasjon i de samme nevronene. Mens D1- og D2-reseptorer finnes i stort sett segregerte populasjoner av nevroner i NAc ( Albin et al., 1989 ; Gerfen et al., 1990 ), inneholder betydelige andeler av NAc-kjerne- og skallnevroner som uttrykker D1-reseptorer også mRNA for D3-reseptorer ( Le Moine og Bloch, 1996 ), som er blokkert av D2-antagonister, inkludert rakloprid. Samekspresjon av D1- og D3-reseptorer gir en potensiell mekanisme der dopamin kan fremme eksitasjon i NAc-nevroner ved en synergistisk effekt som ville bli blokkert av enten D1- eller D2/3-antagonister ( Schwartz et al., 1998 ). Alternativt (eller i tillegg) kan interaksjonen mellom D1- og D2- (og/eller D3-) reseptorer forekomme på lokalt kretsnivå ( Goto og Grace, 2005 ; Gerfen og Surmeier, 2011 ). For eksempel virker dopamin på D1-reseptorer for å redusere GABA-frigjøring til NAc-nevroner ( Nicola og Malenka, 1997 ; Hjelmstad, 2004 ), en effekt som kan fremme eksitasjon i samspill med aktivering av D2/D3-reseptorer på spiny-nevroner ( Hopf et al., 2003 ). Det er verdt å merke seg at disse mekanismene antyder at dopamin ikke eksiterer NAc-nevroner direkte, men snarere øker deres eksitabilitet som respons på glutamaterg input; Dermed kunne de forklare hvorfor signalfremkalte eksitasjoner blokkeres ikke bare av dopaminantagonister, men også ved inaktivering av basolateral amygdala og prefrontal cortex ( Ambroggi et al., 2008 ; Ishikawa et al., 2008 ), som begge sender glutamaterge projeksjoner til NAc ( Brog et al., 1993 ).

Likhetene og forskjellene mellom SCH23390 og rakloprid-effektene kan være et resultat av to kontrasterende nevrale mekanismer, som involverer fasisk og tonisk dopamin. Fordi både D1- og D2/D3-antagonister reduserte DS-fremkalt eksitasjon, men den mindre NS-fremkalte eksitasjonen som forekom i de samme nevronene bare ble redusert av D2/D3-antagonisten ( fig. 8 , 9 ), ser det ut til at dopamin fremmer koding av stimulusverdi via aktivering av D1-reseptorer, men letter avfyringsresponser på alle signaler (uavhengig av om de er assosiert med et verdifullt utfall eller ikke) via D2/D3-reseptorer. Dette kan skyldes de større fasiske dopamintransientene som fremkalles i NAc av belønningsprediktive enn nøytrale signaler ( Phillips et al., 2003 ; Roitman et al., 2004 ). Fordi D2/3-reseptorer har en høyere affinitet for dopamin enn D1-reseptorer, kan små NS-fremkalte dopamintransienter være tilstrekkelig til å aktivere bare D2/3-reseptorer, mens belønningsprediktive DS-er kan øke dopaminkonsentrasjonen til nivåer som er høye nok til å aktivere D1-reseptorer ( Grace, 1991 ).

Alternativt kan størrelsen på signalfremkalt eksitasjon reguleres av tonisk, snarere enn fasisk dopamin. Toniske dopaminnivåer kan gjenspeile alternativkostnaden ved inaktivitet ( Niv et al., 2007 ), og dermed sette styrken til operant ytelse. Dermed, hvis tilstrekkelig høye toniske dopaminnivåer oppnås, kan nok dopaminreseptorer aktiveres for å legge til rette for signalfremkalt eksitasjon og redusere latensen til belønningssøkende tilnærminger. En lignende mekanisme kan også ligge til grunn for det velkjente bidraget fra NAc-dopamin til utførelsen av ikke-signalfremkalte operante oppgaver som krever et høyt innsatsnivå ( Salamone og Correa, 2012 ), der dopaminforstyrrelser øker latensene for å nærme seg operandumet ( Nicola, 2010 ). Implisitte eksterne signaler (f.eks. synet av spaken) eller interne signaler (f.eks. som oppstår fra timing eller sult) kan utløse tilnærming ved å eksitere NAc-nevroner i større grad når alternativkostnader og dopaminnivåer er høye.

Sammendrag, uavhengig av den spesifikke farmakologiske mekanismen, viser våre resultater at NAc dopamin fremmer belønningsøkende atferd ved å heve eksitasjonen av NAc-neuroner til fremtredende miljøstimuli. Størrelsen på denne eksitasjonen setter fagets latens for å initiere et tilnærmelsesrespons. Via denne mekanismen regulerer dopamin både styrke og sannsynlighet for cued belønningsøkende.

Fotnoter

Referanser